I sistemi di guida e navigazione (3) – L’unità ottica

L’Optical Subsystem

Il sestante è uno strumento utilizzato per misurare l’angolo di elevazione di un oggetto celeste sopra l’orizzonte. Tecnicamente la misura si effettua facendo collimare l’oggetto con l’orizzonte. La data e l’angolo di misura sono utilizzati per calcolare una specifica posizione su una mappa nautica o aeronautica e si usa per esempio traguardando a mezzogiorno il sole per individuare la latitudine.
Il sestante sfrutta il principio della doppia riflessione: se un raggio luminoso subisce una doppia riflessione sullo stesso piano, l’angolo di deviazione è il doppio dell’angolo formato dalle superfici riflettenti. Fu Sir Isaac Newton l’inventore del principio della doppia riflessione negli strumenti di navigazione, ma queste ricerche non furono mai pubblicate. Successivamente due uomini, indipendentemente l’uno dall’altro, riscoprirono il sestante attorno al 1730: John Hadley, matematico inglese, e Thomas Godfrey, inventore americano. Il sestante sostituì l’astrolabio, fino a quel tempo il principale strumento di navigazione. Anche l’Apollo aveva il suo sestante e la sua funzione era quella di determinare la posizione dell’Apollo, consentendo la navigazione indipendente della capsula e la periodica attività di riallineamento della IMU (che come abbiamo visto nei post precedenti aveva la tendenza a disallinearsi).

Lo schema dell’Optical Subsystem

L’unità ottica sul CM era costituito da due strumenti distinti, il sestante vero e proprio e un telescopio. I due erano erano montati sulla stessa Navigation Base dove si trovava anche la IMU. Questa struttura metallica manteneva rigidamente connessi ed allineati l’OSS e la IMU (nel LM anche il rendezvous radar era montato su una struttura simile). Montare questi componenti in aree diverse della capsula avrebbe potuto influenzare negativamente sul loro delicato orientamento a causa di leggere deformazioni fisiche dovute a stress meccanici e/o termici. Integrarle insieme invece garantiva il massimo livello di accuratezza nel loro mutuo allineamento, fondamentale poichè anche minime variazioni potevano introdurre errori apprezzabili di misura. L’accesso agli strumenti si trovava nella Lower Equipment Bay (LEB), un’area del CM che si trovava ‘sul pavimento’ in prossimità del tunnel di collegamento tra CM ed LM.

La LEB

Il sestante e il telescopio accedevano all’esterno tramite finestre ricavate nello scafo del CM, nella parte alta della capsula e dalla parte opposta rispetto al portello di accesso principale. Nella loro posizione di riposo (‘zeroed position’), i due strumenti puntavano in una direzione perpendicolare allo scafo. Come un qualsiasi sestante nautico, quello dell’OSS aveva due linee di visuale. La prima, allineata con l’asse principale del sestante, era nota come la LLOS (Landmark Line Of Sight) ed era fissa, sempre perpendicolare allo scafo. La seconda linea attraverso il sestante era chiamata SLOS (Star Line Of Sight) e poteva essere orientata manualmente o utilizzando comandi provenienti dall’AGC. Manovrando la SLOS, era possibile osservare nell’oculare due oggetti distinti fino a farli collimare. Al posto della scala graduata del sestante, una serie di ingranaggi e resolver misuravano la differenza tra le due linee di visuale con una accuratezza fino a 10 secondi d’arco. Il telescopio non forniva nessun ingrandimento (1x) ed un ampio raggio visivo (60 gradi) ed era quindi utilizzato come un ‘finder telescope’ (un ‘cercatore’). Il sestante invece forniva un ingrandimento potente pari a 28x ma un campo visivo molto più ristretto (1.68 gradi) che forniva la richiesta accuratezza.

La posizione dell’OSS nel CM

Per effettuare l’allineamento il CMP utilizzava il programma P52 dell’AGC. Usando 2 stelle (oppure una stella ed un pianeta o un punto caratteristico della superfice), il P52 poteva determinare l’orientamento dell’intero universo intorno alla capsula. Con la capsula saldamente immobile con un orientamento noto, la linea di visuale mobile del sestante veniva orientata verso una specifica stella. Ovviamente si trattava di un orientamento di massima, il ‘best guess’. Diversi fattori, non ultimo ovviamente il disallineamento della IMU, potevano far si che la stella non fosse esattamente allineata al centro del reticolo presente al centro del sestante. Utilizzando l’Optics Hand Controller (OHC), un piccolo joystick montato accanto all’oculare, il CMP centrava la stella nel reticolo del sestante. Quando la stella era bene al centro del reticolo, il pulsante MARK del computer veniva premuto per registrare la posizione apparente della stella rispetto alla piattforma disallineata (venivano letti i dati dai resolver e registrata l’ora della misurazione). L’operazione veniva ripetuta per una seconda stella. Il computer, ora a conoscenza di dove le stelle dovevano essere (in base all’allineamento della IMU) e dove realmente si trovavano (sulla base delle misurazioni al sestante), poteva procedere al calcolo di quanto la piattaforma fosse disallineata; gli angoli erano sempre piccoli, solitamente dell’ordine dei millesimi di grado. Questi valori calcolati indicavano di quanto andava ruotata (torqued) la piattaforma inerziale per il riallineamento. Come spesso accadeva anche questa attività scatenava la competitività degli astronauti: i CMP cercavano di ottenere la massima precisione e i risultati del P52 restituiva una misura della loro accuratezza. L’obiettivo era un ‘all balls’ (ovvero una indicazione sul DSKY di 00000, 5 zeri) come misura della differenza in centesimi di grado tra gli angoli reali che separavano le due stelle. Più il CMP era bravo e più si avvicinava a questo valore (anche se in realtà forse entrava in gioco più l’allineamento della piattaforma).

Jim Lovell lavora nella Lower Bay

Il sestante veniva utilizzato anche per osservazioni precise su obiettivi ‘non celesti’. Ad esempio veniva utilizzato per tracciare un punto particolare sulla superficie lunare per permettere l’osservazione da parte dell’equipaggio attraverso l’oculare (e magari scattare qualche foto sfruttando il forte ingrandimento). Ad esempio era molto utile per individuare l’esatto punto di allunaggio del LM. Più che per confermare l’esatta posizione dell’allunaggio, questa osservazione permetteva ai Mission Planners di preparare il piano ottimale per le EVA dal punto di vista geologico. Durante la manovra di rendezvous, il CMP utilizzava il sestante per localizzare il prima possibile e tracciare l’Ascend Stage del LM di ritorno dalla superficie.

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